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模内混合注塑成型聚丙烯与预制件间界面黏结强度研究
1.中南大学 新型特种纤维及其复合材料XX省重点实验室，XX XX
2. 中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，XX XX
摘要：通过 Moldflow 软件仿真和成型实验，研究模内混合成型中连续纤维热塑性复合材料(CFRT)热压成型预制 件与注塑成型聚丙烯间界面黏结强度。仿真研究预制件温度、熔体温度及保压压力对黏结界面温度场及压力场的 影响规律，分析模内混合注塑成型界面黏结过程，指出 CFRT 预制件表面快速加热对界面黏结影响的重要性。研 究结果表明：当预制件没有加热时，界面黏结强度随着熔体温度和保压压力的增加而显著提高，预制件达到熔点 温度后，由于界面温度显著升高且足以满足界面分子扩散运动的能量需求，故熔体温度和保压压力的进一步提升 对于界面黏结强度影响不大。 关键词：模内混合；界面黏结；CFRT；分子扩散
模内混合注塑成型技术中塑料-塑料混合成型是 在塑料-金属模内混合注塑成型的基础上提出来，即 采用连续纤维增强热塑性复合材料(continuous fiber reinforced thermoplastic, CFRT)预制件取代塑料- 金属模内混合注塑成型技术中的金属制件，旨在进一 步降低产品重量，提高产品性能。该工艺能克服塑料- 金属模内混合注塑成型中塑料与金属相容性差及成型 过程中产生应力集中或变形的缺陷。预制件与注塑 层界面黏结强度是决定制件整体性能的关键，模内 混合成型制件性能不仅是由混合材料各自特性所决 定，同时也取决于两者间的界面粘接特性。在 2 种 相容材料的模内混合成型中，黏结主要是 2 种聚合物 材料大分子之间的缠结交联，界面黏结强度取决于 2 种材料接触的时间、表面的可
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润温度及分子链的扩散 程度。一种分子扩散理论指出黏结是高分子链相互 缠结的结果。在分子扩散缠绕理论中同时强调黏结材 料的相容性。在一定的压力下，当 2 种相容的聚合 物材料接触，增加 2 种相容聚合物接触界面的温度， 能够提高接触界面聚合物表面分子的运动，使界面分 子的扩散效果更为显著；另外，增加保压的时间，也 有利于提高界面分子间的扩散作用。由于热运动及 外界压力作用，促使界面间的高聚物大分子在接触界 面之间彼此流动、扩散以及相互缠绕。随着温度下 降，大分子开始结晶，得到一定的结晶度而达到理想 的黏结强度。因此，2 种聚合物材料的相容性越好， 则扩散性就越好，得到充分有效地缠绕，所表现出的 宏观黏结性就越好。本文作者采用 Moldflow 软件 研究各工艺参数对黏结界面温度场及压力场的影响规 律，指出 CFRT 预制件表面快速加热对界面黏结影响 的重要性。最后通过实验验证并阐述预制件温 度、熔体温度及保压压力对界面黏结强度的影响和预 制件与熔体界面愈合的过程，解释理论与仿真研究的 可行性。
1 黏结界面温度及压力场数值模拟 1.1 模内混合成型界面粘接分析有限元建模
采用 Solidworks 软件对模内混合注塑成型 CFRT 预制件分别建立注塑层与预制件三维模型，并使用 Hypermesh 软件对该模型严格按照注塑流动的方向对 称划分网格，采用热塑性重叠注塑模型进行模拟，并 添加预制件层和注塑层的 3D 网格模型，定义预制件 及注塑层的材料属性。有格有限元模拟的数学模型对 熔体动力学进行计算，且分别采用 Tucker-Folger 和Jeffery 模型计算纤维间相互作用及熔体对纤维的作 用。网格划分如图 1 所示。
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1.2 单因素仿真实验研究注塑工艺对界面黏结强度的影响
1.2.1 单因素仿真方案 由于界面分子扩散程度是由界面间温度、时间与 压力共同作用的结果，在研究工艺参数对其影响的情 况下，采用 Moldflow 软件对模内混合注塑成型黏结界 面温度场及压力场进行仿真，选择“充填+保压”分 析次序，速度/压力切换采用体积控制在 97%，使用 Basell Host PF062-3 的短玻纤增强 PP 作为熔体材 料，玻纤的质量分数为 30%，预制件材料为连续玻纤 增强聚丙烯(PP)。注塑工艺参数对黏结界面的温度、 压力以及保持时间的影响中，熔体温度、预制件温度 以及保压压力的影响较为突出，因此，采用单因素仿 真分析分别对其进行单独讨论，注塑速率为 24 cm3/s， 保压时间为 10 s，冷却时间为 20 s。分别提取预制件 表面节点 N39793，N39776 和 N39759 作为温度测
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量 点，N39776 为流动方向上中间位置节点，N39793 与 N39759 分别为距中位置 34 mm 的近浇口端与远浇口 端节点，提取注塑层表面中间点 N2139 作为压力测 量点。
1.2.2 单因素实验仿真结果与分析
1) 预制件温度的影响。预制件温度对黏结界面流 动方向上温度及保持时间的影响分别如图 2 和图 3 所示。从图 2 和图 3 可见：随着预制件温度的提高，黏 结界面最高温度与超过结晶温度的保持时间都明显提 高，当预制件温度为 130 ℃时，近浇口端温度要明显 高于中间点及远浇口端温度；注塑熔体在流过近浇端 时，预制件温度过低，注塑熔体迅速冷却，导致流动 方向上黏结界面的温度差异，这也将导致黏结强度从 近浇端向远浇端逐渐变差，保持时间也呈现递减式分 布；随着预制件温度接近 PP 熔点温度(165 ℃)，流动 方向上的温度差异得到明显改善。因此，快速加热 CFRT 预制件温度对黏结界面间的温度及超过结晶温 度保持时间影响较显著。
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随着预制件温度的提高，黏结界面间的压力保持 常量，但压力保持时间在温度达到熔点温度以后发生了突变，且保压压力和保压时间的增加都会提高界面 的黏结强度，随后又保持不变，该现象与预制件材料 达到熔点温度后发生相转变有关，如图 4 所示。
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